Физики впервые получили бозе-конденсат в невесомости
Физики из Германии, США и Франции впервые получили и исследовали бозе-конденсат холодных атомов рубидия-87 в невесомости. Для этого ученые использовали метеорологическую ракету MAIUS-1, которая поднялась на высоту более 240 километров и провела в свободном падении около шести минут. Статья опубликована в Nature.
Бозонами физики называют частицы, которые подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, то есть склонны собираться в одном квантовом состоянии. При больших температурах это свойство практически не проявляется, поскольку частицы могут находиться в большом числе квантовых состояний, однако при охлаждении газа бозонов до очень низкой температуры большинство частиц «сваливается» в состояние с самой низкой энергией, и их можно описывать единственной волновой функцией. Такое состояние называют конденсатом Бозе — Эйнштейна. Впервые оно было теоретически описано в 1924 году индийским физиком Шатьендранатом Бозе, а экспериментально получить бозе-конденсат удалось только семьдесят лет спустя, когда были изобретены оптические ловушки. Кроме того, бозе-конденсация обеспечивает сверхтекучесть гелия-4, открытую в 1938 году Петром Капицей. Более подробно про образование бозе-конденсатов можно прочитать в статье «Квантовые газы при низких температурах».
Как правило, для получения бозе-конденсата физики используют магнито-оптические ловушки, которые удерживают атомные газы, охлажденные с помощью лазеров до температур порядка нескольких нанокельвинов. Подробно про принцип работы такой ловушки можно прочитать в материале «Скальпель и пинцет», а про лазерное охлаждение можно послушать в рассказе физика Владимира Мележика. К сожалению, бозе-конденсаты очень легко разрушаются при воздействии внешних возмущений — например, колебаний температуры или гравитационного притяжения Земли. Поэтому максимальное число атомов в бозе-конденсате на практике оказывается сильно ограничено. Обычно ученые работают с конденсатами, которые содержат несколько десятков или сотен тысяч атомов [1, 2, 3], а в редких случаях число атомов в конденсате доходит до миллиарда. Предполагается, что при уменьшении этих воздействий ученые смогут создать более массивные конденсаты и более подробно исследовать их свойства.
Группа ученых под руководством Эрнста Раселя (Ernst Rasel) впервые избавились от воздействия гравитации, получив бозе-конденсат холодных атомов рубидия-87 на борту метеорологической ракеты MAIUS-1, которая поднялась на высоту более 240 километров и провела в свободном падении около шести минут. Ускорение на борту ракеты, находящейся в режиме свободного падения, составляло примерно 10−6g, а скорость углового вращения ракеты была ограничена пятью радианами в секунду. Во время взлета и падения ракеты перегрузки достигали 17g. Для получения бозе-конденсата ученые направляли на оптическую ловушку радиоволновый импульс и заставляли испаряться тепловые атомы, энергия которых превышала энергию основного состояния. После этой процедуры число тепловых атомов уменьшалось, а число атомов в конденсате увеличивалось. В среднем на создание бозе-конденсата у ученых уходило около 1,6 секунд, причем число его атомов достигало ста тысяч, то есть было сопоставимо с наземными экспериментами. За время полета ракеты ученые успели поставить около 110 экспериментов, 80 из которых пришлось на шестиминутный период невесомости. В результате ученые выявили несколько особенностей, сопровождавших образование и эволюцию конденсата.
Во-первых, физики сравнили образование бозе-конденсата в невесомости и при нормальной гравитации. Оказалось, что при одинаковой частоте радиоволнового импульса атомные облака, которые возникали в «космических» экспериментах, были примерно на 64 процента больше, чем в аналогичных наземных опытах. Авторы статьи объясняют увеличение тем, что в невесомости оптическая ловушка лучше удерживает атомы. С другой стороны, число атомов, которые попадали в конденсат, в космосе в среднем было ниже, чем на Земле. Ученые предполагают, что это связано с изменением магнитного поля с высотой, которое приводит к колебаниям тока в охлаждающих установках и выводит конденсат из равновесия. Так или иначе, физикам придется придумать, как бороться с этим недостатком в будущем.
Во-вторых, ученые изучили колебания конденсата, которые возникают, когда он высвобождается из оптической ловушки. Для этого исследователи выключали ловушку и наблюдали за конденсатом в течение 300 миллисекунд, просвечивая его рентгеновскими волнами и наблюдая за возникающей дифракционной картиной (Bragg scattering). В результате ученые обнаружили, что облако атомов начинало двигаться с постоянной скоростью порядка 10 миллиметров в секунду. Кроме того, за это время диаметр облака сконденсированных атомов успевал увеличиться примерно на один миллиметр. Оба этих результата хорошо совпали с теоретическими расчетами, использующими уравнение Гросса—Питаевского в режиме Томаса—Ферми.
Авторы статьи отмечают, что в невесомости охладить атомы, перевести и удержать их в состоянии бозе-конденсата гораздо легче, чем на Земле. Возможно, в будущем ученым удастся получить в таких экспериментах конденсаты при температурах порядка 10−12 или даже 10−15 кельвинов, тогда как сейчас стандартной является температура «всего» 10−9 кельвинов. Такие ультрахолодные газы удобно использовать для проверки фундаментальных законов природы или для создания сверхчувствительных атомных интерферометров, которые могут регистрировать гравитационные волны c точностью, превышающей точность современных лазерных интерферометров LIGO/Virgo.
В невесомости вещество может вести себя совсем не так, как на Земле, а потому ученые часто пытаются повторить хорошо известные эксперименты в космосе. Например, китайские физики запустили на околоземную орбиту холодные атомные часы и показали, что их относительная погрешность составляет примерно 10−13 (одна секунда за 160 тысяч лет). Этот показатель примерно в сто тысяч раз хуже, чем для наземных атомных часов, однако сравним с точностью часов, установленных на спутниках GPS; кроме того, после 15 месяцев полета характеристики часов остались на прежнем уровне, что позволяет использовать их для практических измерений. А в августе этого года российские исследователи впервые показали, как электрическое поле влияет на форму колебаний плотности пыли, взвешенной в плазме, используя установку Plasmakristall-4, которая установлена на борту МКС и работает в условиях микрогравитации (ускорение на борту МКС порядка 10−3g).
Дмитрий Трунин
В ловушку Пауля уместилось 105 ионов кальция
Австрийские физики смогли собрать в ловушке Пауля двумерный ионный кристалл, состоящий из 105 ионов кальция — это самый большой показатель на сегодняшний день. Кристалл был стабилен в течение нескольких секунд, также физикам удалось добиться охлаждения ионов в основное колебательное состояние и доступа к отдельным частицам. В перспективе это позволит существенно расширить квантовые вычисления и квантовые симуляции на ионных массивах. Исследование опубликовано в PRX QUANTUM. Массивы ионов, выстроенные в ловушках — это перспективная система для квантовых вычислений и квантовых симуляций. Ионы хороши тем, что взаимодействуют друг с другом сильно, а также позволяют удерживать себя электрическими и магнитными полями. За счет этого вычислители на ионах можно сделать компактнее. Одна из главный проблем этой технологии — масштабируемость. Рекордные 53 иона были собраны группой Монро еще в 2017 году, и дальнейший рост сталкивается с целым рядом технических трудностей. Их можно было бы преодолеть, собирая двумерные упорядоченные структуры. Такие эксперименты проводились, однако тогда физики не имели доступа к управлению отдельными ионами из-за особенностей удерживающих ловушек. Ситуация изменилась благодаря работе физиков из Инсбрукского университета. Ученые смогли собрать устойчивую двумерную структуру из 105 ионов кальция, удерживаемых монолитной радиочастотной ловушкой Пауля. Им также удалось перевести такой кулоновский кристалл в основное состояние по поперечным колебательным модам, что необходимо для реализации разнообразных протоколов запутывания. Большая трудность, которая встает на пути удержания двумерных массивов паулевой ловушкой — это высокая чувствительность ионов в неточности расположения ее элементов. Для борьбы с этой проблемой, физики использовали монолитный подход, в котором все элементы ловушки остаются частью одного твердого тела, а потому практически не смещаются относительно друг друга. Авторы изготавливали электроды таким образом, чтобы сформировать плоский анизотропный потенциал, из-за чего ионный кристалл принимал эллиптическую форму. Их установка давала лазерным лучам доступ к ионам в широком диапазоне углов, что позволило эффективно проводить манипуляции и визуализацию кристалла. В начале эксперимента физики подвергали лазерной абляции твердотельный кальциевый образец. Они облучали испущенные атомы ионизирующим лучом, после чего ионы попадали в область ловушечных потенциалов, где в течение минуты формировался кристалл. Ученые охлаждали его с помощью метода боковой полосы и метода электромагнитно-индуцированной прозрачности. В качестве кубитов авторы использовали несколько зеемановских подуровней. Для контроля отдельных ионов они фокусировали свет с помощью двухмерного акустооптического дефлектора. Оказалось, что время когерентности в таких кубитах может быть продлено до 370 миллисекунд при том, что сам кулоновский кристалл остается стабильным в течение нескольких секунд даже без лазерного охлаждения. Один из путей масштабирования квантовых вычислений на ионах — использовать кудиты вместо кубитов за счет нескольких уровней. Недавно мы рассказывали, как российские физики объединили два кукварта на основе ионов кальция и продемонстрировали на них универсальный набор квантовых операций.